224134梁文君基于STC89C52的智能锂电池充电器设计.docx
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224134梁文君基于STC89C52的智能锂电池充电器设计
教学单位信息工程系
学生学号2061224134
孝感学院新技术学院
本科毕业论文(设计)
题目基于STC89C52的智能锂电池充电器设计
学生姓名梁文君
专业名称电子信息科学与技术
指导教师余雷
教师职称副教授
2009年11月13日
基于STC89C52的智能锂电池充电器设计
摘要:
该充电器是以STC89C52单片机为控制核心,通过单片机产生PWM信号来控制锂离子电池充电电路。
在实际充电时,锂离子电池与BUCK转换器连接,PWM信号控制BUCK转换器的开和关来实现电池的充电。
由于使用了LCD液晶显示屏,充电器可以显示时间日期、锂离子电池的充电电压、充电电流和锂离子电池的环境温度等状态信息。
为了实现高精度的充电控制,本充电器系统采用PWM脉宽调制技术,通过BUCK转换器的开和关,从而改变锂离子电池充电电压的方法来实现精确的充电控制,确保锂电池不会过充、过热而损坏,大大提高安全性能,延长了锂电池的使用寿命。
该智能锂电池充电器采用了开关电源技术,实现了高效的充电功能,具有电路稳定性强、控制精度高、易于软件升级等特点。
关键词:
智能充电器;PWM;数字电位器;X9313;开关电源;
TheSTC89C52-baseddesignofintelligentLi-ionbatterycharger
Abstract:
ThechargerisSTC89C52microcomputertocontrolthecore,throughthemicrocontrollergeneratedPWMsignaltocontrolthelithium-ionbatterychargingcircuit.Inpractice,charging,lithium-ionbatteryconnectedwiththeBUCKconverter,PWMsignalcontrolBUCKconverteronandofftoachievethebatterycharge.AstheuseofLCDliquidcrystaldisplay,thechargercandisplaythetimeanddate,lithium-ionbatterychargevoltage,chargecurrent,andlithium-ionbatterystatusinformationsuchastheambienttemperature.Inordertoachievehigh-precisionchargecontrol,thechargersystemusesthePWMpulsewidthmodulationtechnology,throughtheBUCKconverteronandoff,therebychangingthevoltageoflithium-ionbatterychargingmethodtoachieveprecisechargecontrol,toensurethatlithiumbatteriesarenotsocharge,thermaldamage,greatlyimprovesafetyperformance,extendedbatterylife.ThisintelligentLi-ionbatterychargerusingswitchingpowersupplytechnologytoachieveanefficientchargingfunction,withthecircuithighlyreliable,highcontrolprecision,easysoftwareupgradesandsoon.
Keywords:
intelligentcharger;PWM;digitalpotentiometer;X9313;switchingpowersupply;
目录
引言
随着现代社会的迅速发展,科学技术的不断进步,人们的消费水平也越来越高。
电子数码类产品发展很快,手机、PDA、MP3和数码相机等便携式数码产品成了很多人的消费首选。
鉴于产品使用的灵活性以及方便性的需要,锂电池在便携式设备中应用非常广泛。
许多产品都把可充电锂电池作为主要的能量来源。
锂电池充电系统要求较高精度的充电控制方法,但是由于成本的提高,很多便携式产品所配备的锂电池充电器都不能很好的对锂电池进行充电,常常造成锂电池的过充而减少锂电池的寿命或者欠充而不能很好的发挥锂电池的各种优势。
鉴于上述问题,本文设计了一款基于STC89C52单片机的智能锂电池充电器,从而实现了对锂电池的高精度充电控制,确保锂电池不会过充、过热而损坏,大大提高安全性能,延长了锂电池的使用寿命。
该智能锂电池充电器配上LCD液晶显示各种充电信息,具有体积小、电路稳定性强、系统可靠性高、控制精度高、操作简便、易于软件升级等特点。
1设计任务及总体方案选择
1.1设计任务及要求
针对现有便携式设备商普通锂电池充电器的问题和不足,如无法精确控制充电过程,容易造成锂电池的过充与欠充,充电时间长且效率低等,设计了具有如下性能指标和功能的智能锂电池充电器。
智能锂电池充电器的主要性能指标和功能如下
a.对最常用的一粒3.7V锂电池进行充电。
b.具有过压保护,欠压停充,充满电转脉冲充电,过热保护功能。
充电电压检测精度为0.2V。
c.LCD液晶显示实际充电电压、电流、充满提醒等状态信息。
d.具有通信能力,可通过电脑串口接收充电状态信息,同时也可以通过串口下载程序到单片机里,对系统软件进行升级。
1.2总体方案的确定
1.2.1锂离子电池及其充电原理
(1)锂离子电池特性
便携式电子设备对电池提出了许多独特的要求,如电池必须具有高能量密度,以为便携式应用提供源源不断的能量;电池重量要轻,占面积要小;电池应能够安全地使用和防止可能的滥用,并具有无限的闲置使用寿命;电池应该具有极低的成本。
所以几乎所有高性能便携式产品都会使用包括锂离子聚合物电池在内的可再充电锂离子电池,这么做的理由非常充分。
与其它可再充电电池相比,锂离子电池有较高的能量密度、较高的电池电压、自放电少、周期寿命非常长,而且环保且充电和维护简单。
另外,由于其具有相对高的电压(2.9V至4.2V),因此很多便携式产品都能用单节电池工作,从而简化了产品总体设计。
锂电池已经成为当前便携式电子设备的首选电池。
因锂离子电池具有较高的能量密度加上较高的电池电压的化学特性,使人们能制造出较小且较轻的电池。
但是,为了有效利用这种电池的容量和延长的电池寿命,需要极其严格地控制充电参数。
延长电池寿命的关键是选择合适的电流、电压和温度等充电参数。
在充电期间所施加电压的精度对于电池的效率和寿命起到非常重要的作用。
超过端接电压会导致过度充电,短期看是增加了电池的可用性,但是长期看将会引起电池失效,并且可能导致安全问题。
过度充电的影响是累积性的。
每提高1%的充电端电压,初始容量会提高约5%。
这种短期提高对于电池的充电/和放电周期具有严重的后果。
过度充电会引起的充电周期缩短。
充电不足虽然不会引起安全问题,但是会大大降低电池的容量。
(2)锂离子电池充电方法
锂离子电池的充电方法有很多种。
最简单的锂离子电池充电器通常指的是恒压(CV)充电器。
它由与电池两端相连的一个电流受限的恒压源组成。
它的电流被限制在可充锂电池的电池容量以下,输出电压调节为电池终止电压(碳阳极电池是4.1V,石墨阳极电池是4.2V)。
能量耗尽的电池将尽可能地吸收充电电源提供的电流。
在给电池充电时,电池两端的电压将会上升,而充电电流将逐渐变小。
当充电电流下降到0.1C以下时,可以认为电池已经被充满。
因为不主张均流充电(TrickleCharge),所以当充电结束时,充电器必须完全关闭或断开。
为防止有缺陷的电池被不确定的电流充电,应使用后备定时器来终止充电过程。
虽然恒压充电是一种成本相对较低的方法,但它却需要很长的充电时间。
由于电源电压保持恒定,随着电池不断被充电,充电电流将会迅速下降,从而使充电的速度也迅速下降。
然后,给电池充电的电流速率将远低于它可以承受的电流速率。
一种更快的充电方法是恒流/恒压(CC/CV)充电。
当开始充电时,CC/CV充电器首先选择施加一个等价于电池容量C的恒定电流。
为防止在恒流充电周期中过充电,需要监视电池封装两端的电压。
当电压上升到给定的终止电压时,电路切换到恒压源工作模式。
即使电池封装两端的电压达到终止电压,但因为在电池端至电池芯之间的ESR上存在电压降,所以实际的电池电压将低于终止电压。
在恒流充电期间,电池能以接近其终止电压的高电流速率充电,且不会有任何被施加高电压和发生过充电的危险。
经恒流充电后,电池的容量将达到其额定值的85%。
在恒流周期结束后,充电器切换到恒压周期。
在恒压周期,充电器通过监视充电电流来决定是否结束充电。
与恒压充电器一样,当充电电流减小到电池的0.1C以下时,充电周期结束。
尽管实现CC/CV充电方方法需要更加复杂的电路但因为它可以显著减少充电时间。
所以,本文设计的智能充电器采用了CC/CV的充电方法,从而高效的对锂离子电池进行精确的充电。
锂离子电池充电器的所充电的对象并非总是质量好的电池,实际上,被充电的电池可能有缺陷而不能接受充电。
此为,试图对有缺陷的电池进行快速充电可能会产生安全隐患。
理想的充电器必须能够检测所有可能的电池故障模式,并有针对性地进行充电。
如果锂离子电池的温度超出了指定的温度范围,那么给它充电将是不安全的。
目前,所有充电器都必须跟踪电压的变化,而CC/CV充电器甚至需要跟踪电流和电压。
在提高充电器效率和延长电池寿命的同时不能忽略潜在的安全问题,这就需要更智能的充电控制。
为防止因意外把反向电压施加到电池上,所有锂离子电池都包含一些保护电路。
一般来说,保护功能包括防止过放电、过充电、过大的充/放电电流,以及避免电池被施加高电压。
在电池的充电或放电期间,如果任何参数超过了特定电池设置的限制值,电池芯与电池终端之间的连接将断开。
通常,当反向电压被撤除或电池被预置之后,经过一段时间,充电器将复位。
1.2.2智能锂电池充电器的系统组成和原理
该智能锂电池充电器主要由主控制器模块、BUCK转换器充电模块、显示模块、温度检测模块、电压检测模块、电流检测模块、模数转换模块、时钟模块、键盘模块、电源模块组成。
系统框图如图1。
图1系统整体框图
图一中充电器的主控制器为STC89C52单片机,显示模块为LCD1602液晶显示模块,温度检测模块为DS18B20组成的检测电路,电压和电流检测模块由A/D转换集成芯片ADC0832以及精密电阻组成,时钟模块由芯片DS1302来实现。
该智能锂电池充电器的原理是以STC89C52单片机为主控制核心,通过单片机内部定时器模块产生PWM信号来驱动并控制锂离子电池充电电路。
在实际充电时,锂离子电池与BUCK转换器连接,PWM信号控制BUCK转换器的开和关来实现电池的充电。
模数转换芯片ADC0832将采集到的电压和电流信号传递给单片机进行处理,单片机将处理好的信号通过LCD液晶显示模块显示出来。
芯片DS1302产生时间日期信号数据也传递给单片机处理。
LCD液晶显示屏负责显示时间日期、锂离子电池的充电电压、充电电流和锂离子电池的环境温度等状态信息。
使用者可以通过键盘对显示信息进行切换控制等功能。
为了实现高精度的充电控制和保证充电电压的稳定,本充电器系统采用PID算法控制和PWM脉宽调制相结合的技术,通过BUCK转换器的开和关,从而改变锂离子电池充电电压的方法来实现精确的充电控制,确保锂电池不会过充、过热而损坏,大大提高安全性能,延长了锂电池的使用寿命。
该智能锂电池充电器采用了开关电源技术,实现了高效的充电功能,具有体积小、电路稳定性强、系统可靠性高、控制精度高、操作简便、易于软件升级等特点。
2系统硬件配置说明
2.1主控制芯片STC89C52RC介绍
STC89C52RC是新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机,指令代码完全与传统的8051单片机相容。
机器周期有12时钟和6时钟两种,且可以任意选择。
2.1.1STC89C52RC特点
1.增强型6时钟/机器周期,12时钟/机器周期,8051CPU
2.工作电压5.5V~3.4V(5V单片机)
3.工作频率范围:
0~40MHZ,相当于8051的0~80MHZ。
实际工作频率可达48MHZ
4.用户应用程序空间为8K字节
5.片上集成512字节RAM
6.通用I/O口(32/36个),复位后为:
P1/P2/P3/P4是准双向口,弱上拉。
P0口是开漏输出,作为总线扩展用时,不用加上拉电阻;作为I/O口用时,需要上拉电阻
7.ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器/仿真器,可通过串口(P3.0/3.1)直接下载用户程序
8.具有EEPROM功能
9.具有看门狗功能
10.共3个16位定时器/计数器。
定时器T0、T1、T2
11.外部中断4路,下降沿中断和或低电平触发中断,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
12.通用异步串行口(UART)工,还可用定时器软件实现多个UART
13.工作温度范围:
0~70℃
14.PDIP封装
2.1.2STC89C52RC引脚图及说明
图2STC89C52RC引脚图
2.2ADC0832模数转换芯片的介绍
2.2.1芯片介绍
ADC0832是一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。
由于它体积小,兼容性强,性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎,其目前已经有很高的普及率。
学习并使用ADC0832可是使我们了解A/D转换器的原理,有助于我们单片机技术水平的提高。
ADC0832具有以下特点:
·8位分辨率;
·双通道A/D转换;
·输入输出电平与TTL/CMOS相兼容;
·5V电源供电时输入电压在0~5V之间;
·工作频率为250KHZ,转换时间为32μS;
·一般功耗仅为15mW;
·8P、14P—DIP(双列直插)、PICC多种封装;
·商用级芯片温宽为0°Cto+70°C,工业级芯片温宽为−40°Cto+85°C;
芯片接口说明:
·CS_片选使能,低电平芯片使能。
·CH0模拟输入通道0,或作为IN+/-使用。
·CH1模拟输入通道1,或作为IN+/-使用。
·GND芯片参考0电位(地)。
·DI数据信号输入,选择通道控制。
·DO数据信号输出,转换数据输出。
·CLK芯片时钟输入。
·Vcc/REF电源输入及参考电压输入(复用)。
ADC0832与单片机的典型接口电路:
图3ADC0832与单片机的典型接口电路图
ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片,其最高分辨可达256级,可以适应
一般的模拟量转换要求。
其内部电源输入与参考电压的复用,使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。
芯片转换时间仅为32μS,据有双数据输出可作为数据校验,以减少数据误差,转换速度快且稳定性能强。
独立的芯片使能输入,使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。
通过DI数据输入端,可以轻易的实现通道功能的选择。
2.2.2ADC0832的控制时序
ADC0832时序说明请见图4。
图4ADC0832时序图
作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0~5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。
如果作为由IN+与IN-输入的输入时,可是将电压值设定在某一个较大范围之内,从而提高转换的宽度。
但值得注意的是,在进行IN+与IN-的输入时,如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H。
2.3温度传感器DS18B20的介绍
美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
一线总线独特而且经济的特点,使用户可轻松地组建传感器网络,为测量系统的构建引入全新概念。
2.3.1DS18B20的主要特性
(1)适应电压范围更宽,电压范围:
3.0~5.5V。
(2)独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
(3)DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现组网多点测温。
(4)温范围-55℃~+125℃,在-10~+85℃时精度为±0.5℃。
(5)可编程的分辨率为9~12位,对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃,可实现高精度测温。
(6)在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字,12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字,速度更快。
(7)测量结果直接输出数字温度信号,以"一线总线"串行传送给CPU,同时可传送CRC校验码,具有极强的抗干扰纠错能力。
(8)负压特性:
电源极性接反时,芯片不会烧毁,但不能正常工作[5]。
2.3.2DS18B20的外形及引脚图
DS18B20的外形及管脚排列如下图5所示。
图5DS18B20外形及引脚排列图
DS18B20引脚说明:
(1)GND为电源地;
(2)DQ为数字信号输入/输出端;
(3)VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。
2.4LCD液晶显示器的介绍
液晶屏显示模块与数码管相比,它显得更为专业、漂亮。
液晶显示屏以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、使用方便等诸多优点,在通讯、仪器仪表、电子设备、家用电器等低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用,使这些电子设备的人机界面变得越来越直观形象,目前已广泛应用于电子表、计算器、IC卡电话机、液晶电视机、便携式电脑、掌上型电子玩具、复印机、传真机等许多方面。
LCD液晶显示器,主要分为两类,一种是字符模式LCD,另一种是图形模式LCD。
其中,字符模式LCD是点阵型液晶显示器,专门用来显示字母、数字、符号等。
LCD1602外观如图6。
图6LCD1602实物图
2.4.1LCD模块的引脚
1602LCD,每行可以显示16个字符,可显示的行数为了2行,有16只引脚,其中数据线DB0~DB7与控制信号线RS、R/W、E用来与单片机连接,另外3只引脚为电源线Vss、VDD、Vo,各引脚功能如表1所示:
表1LCD引脚功能
引脚
符号
功能说明
1
VSS
接地
2
VDD
+5V
3
V0
显示屏明亮度调整脚,一般将此脚接地
4
RS
寄存器选择
0:
指令寄存器(WRITE),Busyflag,位置计数器(READ)
1:
数据寄存器(WRITE,READ)
5
R/W
READ/WRITE选择1:
READ0:
WRITE
6
E
读写使能,下降沿使能
7
DB0
低4位三态,双向数据总线
8
DB1
9
DB2
10
DB3
11
DB4
高4位三态,双向数据总线
DB7也是一个Busyflag
12
DB5
13
DB6
14
DB7
15
BLA
背光源正极
16
BLK
背光源负极
2.4.2寄存器选择
LCD内部有两个寄存器,一个指令寄存器IR,另一个是数据寄存器DR.IR用来存放由微控制器所送来的指令代码,如光标归位,清除显示等;DR用来存放欲显示的数据.
显示的次序是先把欲存放数据的地址写入IR,再把欲显示的数据写入DR,DR就会自动把数据送至相应的DDRAM或CGRAM地址,DDRAM是显示数据的存储器,用来存放LCD的显示数据;CGRAM是字符产生器,用来存放自己设计的5×7点图形的显示数据.
表2LCD寄存器的选择
E
R/W
RS
功能说明
1
0
0
写入命令寄存器
1
0
1
写入数据寄存器
1
1
0
读取忙碌标志及RAM地址
1
1
1
读取RAM数据
0
X
X
不动作
当RS=0时,选择指令寄存器;RS=1时,选择数据寄存器。
当R/W=0时,数据写入LCD控制器;当R/W=1,到LCD控制器读取数据。
E:
高电位使能信号线。
2.5数字电位器X9313的介绍
2.5.1X9313的特性
X9313非易失性数字电位器是机械式电位器理想替代产品。
X9313端电压+5V,32抽头,是一个包含有31个电阻单元的电阻阵列。
在每个单元之间和二个端点都可以被滑动单元访问的抽头点。
滑动单元的位置由
、U/
和
三个输入端控制。
滑动端的位置可以被贮存在一个非易失性存储器中,因而在下一次上电工作时可以被重新调用。
X9313的分辨率等于最大的电阻值除以31。
例如X9313W(10KΩ)的每个抽头间的阻值为323Ω。
X9313特性如下:
∙三线式接口;
∙32个滑动抽头点;
∙滑动端位置储存于非易失性存储器之中,可在上电时重装载;
∙31个电阻单元;
∙有温度补偿;
∙+20%端点到端点阻值范围;
2.4.1X9313的引脚图
X9313的引脚图如图7所示,一般采用DIP封装。
图7X9313引脚图
3系统硬件电路设计
该智能锂电池充电器主要由主控制器模块、BUCK转换器与PWM充电控制模块、显示模块、温度检测模块、电压检测模块、电流检测模块、模数转换模块、时钟模块、键盘模块、电源模块组成。
硬件电路简单,操作方便,系统由STC89C52单片机进行充电控制,对电池温度、电压、电流进行检测,从而达到对锂电池的高精度充电控制。
安装好锂电池,电源接上后,充电器即可正常工作,当电池充满电后即可自动停止充电,并对锂电池进行保护。
3.1主控制器电路
该智能锂电池充电器的主控制器以新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机STC89C52RC为核心,同时配合单片机上电复位电路,晶振电路,P0输入输出口上拉电路构成了单片机运行的核心稳定系统。
主控制器电路原理图如图8示。
STC89C52RC单片机的复位电路由电解电容C3、电阻R1与按键构成,实现充电器系统上电自动复位,同时也可以根据需要随时进行手动复位。
STC89C52RC单片机的晶振电路由无源的石英晶体振荡器X1与相应的瓷片电容C1、C2构成。
XTAL1,XTAL2两脚为单片机的时钟输入引脚。
在单片机内部,XTAL1是反向放大器的输入端,该放大器构成了片内振荡器;XTAL2接至上述振荡器的反向放大器的输出端,振荡器的频率是晶体振荡器的频率。
由此,可以在XTAL1,XTAL2两端跨接一个片外石英晶体或陶瓷谐振器就构成了稳定的自激振荡器。
外接石英晶体时,电容C1,C2的值通常选择为30pF左右;外接陶瓷谐振器时,C1,C2的值均为47uF。
接入电容C1,C2有利于振荡器起振,对频率有微调作用。
振荡频率由石英晶体的谐振频率确定。
一般,振荡频率范围是1.2~12MHZ。
为了减少寄生电容,更好的保证振荡器稳定可靠地工作,石英晶体或陶瓷谐振器的电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。
本设计中,XTAL1和XTAL2端外接石英晶体作为定时元件,内部反向放大器自激振荡,产生时钟。
为了让单片机可以进行无误差的串口
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